(57)【要約】 コストダウンに貢献できる浸炭部品製造方法を提供するため、非浸炭処理部としたい場所を第１加工表面(１０１)のようにＲｚ５０相当の表面粗さとし、浸炭処理部としたい場所を第２加工表面(１０２)のようにＲｚ１．５相当の表面粗さとする。
2012032637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭処理を施す浸炭処理部分と、浸炭処理を抑制する非浸炭処理部分とを有する金属部品を浸炭処理する浸炭部品製造方法において、
前記非浸炭処理部分となる箇所の加工面粗さを、前記浸炭処理部分となる箇所の加工面粗さよりも粗く形成することを特徴とする浸炭部品製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載される浸炭部品製造方法において、
前記非浸炭処理部分の加工面粗さを少なくともＲｚ５０以上とすることを特徴とする浸炭部品製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載される浸炭部品製造方法において、
前記非浸炭処理部分となる箇所が、前記浸炭処理の後に溶接される部位であることを特徴とする浸炭部品製造方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載される浸炭部品製造方法において、
前記非浸炭処理部分が、前記浸炭処理の後に機械加工される部位であることを特徴とする浸炭部品製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸炭部品を製造する際に、部品の部位によって表面粗さを変化させることで浸炭を抑制する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械類を構成する鋼部品には摩擦部分が多く、耐摩耗性を要求される場合が多い。鋼材からなる部品の表面を、浸炭処理を行うことで耐摩耗性を向上させる技術は、自動車に用いられる部品においても用いられる技術である。実際に浸炭処理を行った部品は、自動車のあちこちに用いられている。【０００３】
部品全体を浸炭処理してしまうと、浸炭処理することによって部品の表面硬度が向上する代わりに加工しにくい、溶接時に割れが発生し易い等の問題がある。このため、必要な箇所だけに部分的に浸炭処理したいという要望がある。このため、浸炭処理を必要としない非浸炭処理部に浸炭処理が施されないような部品を得るために、様々な検討がなされている。【０００４】
特許文献１には、浸炭及びメタルダスティングの抑制・防止方法についての技術が開示されている。高温炭素ガスの接触する金属部材の表面に、予め塑性加工又は塑性歪みを加えることにより、浸炭処理時に浸炭深さを抑制することができる。その結果、メタルダスティングと呼ばれる浸炭雰囲気中で金属や合金がダスト状に分解されて、ガス流等によりこれらが吹き飛ばされてピットが形成されたり、摩耗減肉を生じたりと言った現象を抑制することが可能となる。【０００５】
特許文献２には、溶接部の浸炭防止法についての技術が開示されている。溶接継手部に浸炭が生じる状況を鑑み、母材に対して初層溶接後に母材の裏側からケイ素含有物質を塗布し又は付着させ、２層目以降の溶接熱を利用してこれを反応又は溶融させ二酸化ケイ素からなる酸化皮膜を形成させる。こうすることで、酸化皮膜が形成されることで溶接部の浸炭を防止することが可能となる。【０００６】
特許文献３には、浸炭抑制材についての技術が開示されている。ネジ部が形成される予定の箇所に、銅合金皮膜を形成させて、その後、部品を浸炭させる際に当該部分の浸炭を抑制している。【０００７】
特許文献４には、浸炭処理における浸炭防止方法についての技術が開示されている。浸炭を防止したいと考えている部分に、マスク材としてスズ皮膜を形成し、当該部分の浸炭を抑制している。【０００８】
特許文献５には、浸炭防止方法に関する技術が開示されている。浸炭を防止したいと考える部分に、第１物質と第２物質とを含んだ2種類以上の浸炭防止剤を塗布する。第１物質は、例えばホウ酸や酸化ホウ素のような第１温度から処理温度にいたる温度領域で順次溶解して金属表面を順次被覆可能な物質である。第２物質は、例えばゴムと粘着材の混合物のような常温から少なくとも第１温度にいたる温度領域において、金属表面を被覆可能である。このような構成によって、浸炭処理時に浸炭防止剤を塗布しておくことで浸炭処理防止を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２６９５４０号公報
【特許文献２】特開昭６１−１８６１６６号公報
【特許文献３】特開２００７−３０２９６９号公報
【特許文献４】特開平１１−３０２８２１号公報
【特許文献５】特開２０００−０９６１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１乃至特許文献５には、以下に説明する課題があると考えられる。【００１１】
近年は自動車のコストダウンの必要性に迫られており、浸炭処理をする部品においても製造方法の見直しをしてコストダウンすることが迫られている。しかしながら、特許文献２乃至特許文献５に記載の、浸炭処理の前に非浸炭処理部に皮膜を形成しておく手法を採ると、浸炭処理後に皮膜除去の工程を必要とする。このように加工工程が多いと加工する部品のコストが高くなる。【００１２】
また、特許文献１に記載の方法でも、浸炭処理前に非浸炭処理部に塑性加工又は塑性歪みを加える加工を必要とする為、加工コストが必要であると思われる。非浸炭処理部となる部分は、特に機械精度が求められない部分が多いと考えられ、そのような場合塑性加工又は塑性歪を加える加工を施すことは、浸炭処理を防止するためだけに必要とされるものと考えられる。したがって、コストが高くなると考えられる。【００１３】
また、出願人は浸炭処理方法を改善することによって、浸炭処理にかかる時間自体の短縮を検討している。しかし、浸炭部分を抑制する為に工程を増やす特許文献１乃至特許文献５に示すようなこれまで知られる手法では、浸炭処理の時間を短縮できても非浸炭処理部を設ける為にリードタイムが長くなる。このため、結果的にコストを増大させる結果となり好ましくない。【００１４】
そこで、本発明はこのような課題を解決するために、コストダウンに貢献できる浸炭部品製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明の一態様による浸炭部品製造方法は、以下のような特徴を有する。【００１６】
（１）浸炭処理を施す浸炭処理部分と、浸炭処理を抑制する非浸炭処理部分とを有する金属部品を浸炭処理する浸炭部品製造方法において、前記非浸炭処理部分となる箇所の加工面粗さを、前記浸炭処理部分となる箇所の加工面粗さよりも粗く形成することを特徴とする。【００１７】
（２）（１）に記載される浸炭部品製造方法において、前記非浸炭処理部分の加工面粗さを少なくともＲｚ５０以上とすることを特徴とすることが好ましい。【００１８】
（３）（１）又は（２）に記載される浸炭部品製造方法において、前記非浸炭処理部分となる箇所が、前記浸炭処理の後に溶接される部位であることを特徴とすることが好ましい。【００１９】
（４）（１）又は（２）に記載される浸炭部品製造方法において、前記非浸炭処理部分が、前記浸炭処理の後に機械加工される部位であることを特徴とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
このような特徴を有する本発明による浸炭部品製造方法の一態様により、以下のような作用、効果が得られる。【００２１】
上記（１）に記載される発明の態様は、浸炭処理を施す浸炭処理部分と、浸炭処理を抑制する非浸炭処理部分とを有する金属部品を浸炭処理する浸炭部品製造方法において、非浸炭処理部分となる箇所の加工面粗さを、浸炭処理部分となる箇所の加工面粗さよりも粗く形成するものである。【００２２】
非浸炭処理部分となる箇所の加工面粗さを粗くしておくことで、エッジ効果により非浸炭処理部分に過剰浸炭が起こり易く、非浸炭処理部分の表面に炭化物ができ易くなる。このことで、炭化物形成後は非浸炭処理部分へのそれ以上の浸炭を抑制することができる。【００２３】
この結果、非浸炭処理部分の表面から遠い部分には浸炭しにくい環境を作ることができ、浸炭処理後に加工し易く、又溶接時の割れの発生を防ぐことが可能である。よって、特許文献２乃至特許文献５に示すような表面処理を必要とせず、加工工程を短縮することが可能となる。【００２４】
また、上記（２）に記載される発明の態様は、（１）に記載される浸炭部品製造方法において、非浸炭処理部分の加工面粗さを少なくともＲｚ５０以上とするものである。出願人が調査した結果、非浸炭処理部分をＲｚ５０程度の表面粗さとすれば（１）に記載したエッジ効果を期待することができる。表面粗さがＲｚ５０程度であれば、つまり、容易な方法で非浸炭処理部分への浸炭を抑制することが可能となる。【００２５】
また、上記（３）に記載される発明の態様は、（１）又は（２）に記載される浸炭部品製造方法において、非浸炭処理部分となる箇所が、浸炭処理の後に溶接される部位である。溶接部を非浸炭処理部分とすることで、溶接割れを防ぎ、溶接性の向上を図ることが可能となる。溶接部分となる部分が浸炭され、母材に炭素量が多くなると母材の延性が低下してしまうために溶接による溶接割れが発生し易くなる。しかしながら、非浸炭処理部分をＲｚ５０程度とすることで、後に溶接する部分の浸炭を抑制することができ、溶接割れを防ぐことができる。また、表面粗さが粗いことは溶接性の向上に繋がる。【００２６】
また、上記（４）に記載される発明の態様は、（１）又は（２）に記載される浸炭部品製造方法において、非浸炭処理部分が、浸炭処理の後に機械加工される部位である。浸炭処理の後に機械加工する部分を非浸炭処理部分とすることで、非浸炭処理部分の浸炭を抑制して機械加工性を維持することができる。母材の炭素が増加することで機械加工性が低下するため、後に機械加工する部分を浸炭加工することは望ましくない。従って後に加工する部分は非浸炭処理部分とすることで、加工性を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態の、浸炭処理を行う前の状態を表した断面図である。
【図２】第１実施形態の、浸炭処理を行った後の状態を示した断面図である。
【図３】第１実施形態の、浸炭処理を行った後の状態を示した断面の拡大図である。
【図４】第１実施形態の、ワークの斜視図である。
【図５】第１実施形態の、浸炭処理の工程を表す図である。
【図６】第１実施形態の、ワークの浸炭深さを表すグラフである。
【図７】第２実施形態の、ワークである傘歯車の断面図である。
【図８】第３実施形態の、ワークであるシャフトの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１に、第１実施形態の浸炭処理を行う前の状態を表した断面図を示す。図２に、浸炭処理を行った後の状態を示した断面図を示す。図３に、図２の拡大断面図を示す。図４に、ワークＷの斜視図を示す。
【００２９】
ワークＷは機械部品に用いる鋼材であり、図４に示すワークＷは単純な形状のシャフトを想定している。このようなワークＷを真空炉に入れて浸炭処理を行うことで、ワークＷの表面における炭素含有量を増加させ、耐摩耗性を向上させることができる。ワークＷは、第１加工表面１０１と第２加工表面１０２を有した、図４に示したような円筒状のシャフトである。もっとも、説明の都合上、ワークＷの形状を単純化しているので、別の複雑な形状であっても良い。
【００３０】
ワークＷの断面を拡大したものが図１及び図２であり、第１加工表面１０１は第２加工表面１０２に比べて表面粗さが粗く設定されている。第１加工表面１０１は非浸炭処理部であり、第２加工表面１０２は後に浸炭処理を必要とする浸炭処理部とする。第１実施形態で設定されている表面粗さは、第１加工表面１０１でＲｚ（十点平均高さ）がＲｚ５０、第２加工表面１０２でＲｚ１．５である。第１加工表面１０１は旋盤加工やプレス加工などの機械加工によって得られる程度の加工面である。第２加工表面１０２は研削加工されて形成されている。
【００３１】
なお、実測値は第１加工表面１０１においてはＲｚ（十点平均高さ）で５２．０μｍであり、Ｒａ（中心線平均粗さ）で１２．６μｍである（測定長さは１２．５ｍｍ）。第２加工表面１０２においてはＲｚで１．４μｍであり、Ｒａで０．１６μｍである（測定長さは３．２ｍｍ）。
【００３２】
図５に、浸炭処理の工程を表す図を示す。縦軸に温度を示し、横軸に時間を示している。ワークＷを浸炭処理する場合には、「昇温工程」「浸炭、拡散工程」「Ｎ２冷却工程」を経て浸炭処理を行う。
【００３３】
「昇温工程」では、ワークＷを炉に入れて真空引きすると共にワークＷを加熱する。「浸炭、拡散工程」では、浸炭ガスＣとして用いるアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを炉内に充填して、ワークＷの表面に浸炭ガスＣが触れることでワークＷの内部に炭素を浸透させる。アセチレンガスを用いての浸炭処理は、例えば特開２００８−２２３０６０号公報などに示されるように、処理時間を短縮する方法として有効であることが知られている。「Ｎ２冷却工程」では、窒素をワークＷに噴射して冷却する工程である。窒素を用いることでガスクエンチが可能であり、ワークＷの冷却を促進することができる。このような工程を経ることで、浸炭処理されたワークＷが得られる。
【００３４】
図６に、ワークＷの浸炭深さを表すグラフを示す。縦軸に炭素濃度、横軸にワークＷの表面からの距離を示している。
【００３５】
第１炭素濃度曲線Ｌ１１は、ワークＷの浸炭処理を開始してすぐの第１加工表面１０１の状態を示した仮想線である。第２炭素濃度曲線Ｌ２１は、ワークＷの浸炭処理を開始してすぐ第２加工表面１０２の状態を示した仮想線である。第１冷却後濃度曲線Ｌ１２は、ワークＷを浸炭処理し「Ｎ２冷却工程」を経た後に第１加工表面１０１の炭素濃度を計測した結果を示した曲線である。
【００３６】
第２冷却後濃度曲線Ｌ２２は、ワークＷを浸炭処理し「Ｎ２冷却工程」を経た後に第２加工表面１０２の炭素濃度を計測した結果を示した曲線である。炭素濃度の計測にはＥＰＭＡ分析を用いている。ワークＷを浸炭処理した場合、図６に示すように第１加工表面１０１と第２加工表面１０２とでは、炭素の量が異なっていることが分かる。
【００３７】
詳しく見ると、第１炭素濃度曲線Ｌ１１と第２炭素濃度曲線Ｌ２１とでは、表面における炭素濃度はほぼ同じであるが、表面からの距離が遠くなるにつれてより第１炭素濃度曲線Ｌ１１の方が、炭素濃度が早く薄くなる。なお、炭素濃度が一定以下になっていないのは、ワークＷの母材自身に炭素を含んでいる為である。
【００３８】
第１冷却後濃度曲線Ｌ１２と第２冷却後濃度曲線Ｌ２２とを比較すると、表面の炭素濃度自体も第２冷却後濃度曲線Ｌ２２に比べて第１冷却後濃度曲線Ｌ１２は薄くなっている。そして、全体的な炭素の量自体も第２冷却後濃度曲線Ｌ２２より第１冷却後濃度曲線Ｌ１２は少なくなっている様子が分かる。
【００３９】
第１炭素濃度曲線Ｌ１１から第１冷却後濃度曲線Ｌ１２への変化、及び第２炭素濃度曲線Ｌ２１から第２冷却後濃度曲線Ｌ２２への変化は、炭素がワークＷの内部に拡散していく為である。
【００４０】
第１実施形態の浸炭部品製造方法は上記構成であるので、以下に説明する作用及び効果を奏する。
【００４１】
まず、効果として非浸炭処理部において低コストで浸炭を抑制することが可能となる点が挙げられる。
【００４２】
非浸炭処理部としたい場所を第１加工表面１０１のようにＲｚ５０以上の表面粗さとし、浸炭処理部としたい場所を第２加工表面１０２のようにＲｚ１．５相当の表面粗さとすることで、図５及び図６に示すように第２加工表面１０２に比べて第１加工表面１０１の浸炭深度を浅くすることが可能となる。
【００４３】
これは、図３に示すように第１加工表面１０１において浸炭ガスＣとの接触面積が広くなるため、エッジ効果により過剰浸炭が起こり易く、表面に炭化物（セメンタイト組織）ができやすくなる。これは、浸炭時間を短縮する方向に向かうことでその傾向は更に顕著になる。
【００４４】
このため、第１加工表面１０１では過剰浸炭によって表面部分に炭化物が生成することで浸炭反応が急激に減少する。具体的には、図３に示すように第１加工表面１０１の凸部に炭素が集中することで凸部に過剰浸炭が起こり、炭化物を形成する。表面に炭化物が形成されると、母材の内部への炭素の拡散が抑制される。その結果、第１加工表面１０１の表面から遠い部分には浸炭しにくい環境を作ることができ、浸炭処理後に加工し易く、また溶接時に発生する割れを防ぐことが可能である。
【００４５】
通常の浸炭処理では、セメンタイト組織が脆く硬い組織であるため靱性が低下することから、炭化物を積極的に析出させない。しかし本発明では、「浸炭、拡散工程」において早い段階で炭化物を生成することで、表面から遠い部分での浸炭を防止することを可能としている。
【００４６】
このように、非浸炭処理部の表面粗さを第１加工表面１０１のように粗くしておくことで、浸炭を抑制することが可能となる。こうすることで、事前に被膜を形成して非浸炭処理部を形成する方法のように、浸炭処理前に被膜形成し、浸炭処理の後に被膜除去を行う必要がなく、加工工程を短縮することが可能となる。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明をおこなう。
【００４８】
第２実施形態は第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、非浸炭処理部が異なるのでその点を説明する。
【００４９】
図７に、第２実施形態のワークの形状を示す。第２実施形態のワークは傘歯車２０であり、歯部２１と内周輪状部２２とを有する。歯部２１には浸炭処理が施される一方、内周輪状部２２には溶接にて図示しない他の部品を取り付ける構造となっている。このため、歯部２１の表面粗さをＲｚ１．５相当とし、内周輪状部２２の表面粗さをＲｚ５０相当として形成している。この状態の傘歯車２０を図示しない浸炭炉に投入し、浸炭処理を行う。
【００５０】
第２実施形態は上記構成としているため、以下に説明する作用効果を奏する。
【００５１】
歯車において、耐摩耗性を高める必要のある歯部２１には浸炭処理部とし、内周輪状部２２は溶接を行う関係上、非浸炭処理部としたい。この構造は平歯車やそのほかの構造の歯車であっても同様の事情がある。すなわち歯部は耐摩耗性を必要とする一方、内周部分には溶接時の割れを防止する必要があるため、内部組織における炭素の量は少ない方がよい。
【００５２】
溶接施行に際して溶接部が周囲より拘束されていると、溶接に伴う熱歪によって、溶接熱影響部の延性を超えると溶接割れが生じるが、浸炭処理がなされて浸炭層が形成されていると、延性が低下してしまうために溶接による溶接割れが発生し易くなる。しかし、内周輪状部２２の表面粗さをＲｚ５０とし、浸炭処理の際の内周輪状部２２への浸炭を抑制可能になることで、溶接割れを抑制することができる。また、内周輪状部２２における表面粗さがＲｚ５０程度と粗いことで、溶接性の改善にも寄与することができる。
【００５３】
次に、本発明の第３の実施形態について説明をおこなう。
【００５４】
第３実施形態は第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、非浸炭処理部が異なるのでその点を説明する。
【００５５】
図８に、第３実施形態のワークの形状を示す。第３実施形態のワークは、傘歯のギアを有するシャフト３０であり、シャフト第１段差部３１とシャフト第２段差部３２とギア部３３とを有する。
【００５６】
シャフト第１段差部３１は浸炭後に機械加工する部位であり、浸炭前は表面粗さをＲｚ５０としている。シャフト第２段差部３２は浸炭後に機械加工しない部分であり、加工表面粗さをＲｚ１．５としている。ギア部３３についても浸炭加工をするのでＲｚ１．５としている。
【００５７】
浸炭加工を行うと、素材の内部に炭素が増えてしまうことで被加工面が硬化し、機械加工性が悪化する。しかし、浸炭加工後に機械加工を行うシャフト第１段差部３１の部分の表面粗さを浸炭加工時にＲｚ５０としておくことで、図２及び図６に示すようにごく表面層のみに浸炭影響部を留めることができる。すなわち、シャフト第１段差部３１において母材に炭素を含有することで機械加工性が低下してしまうことを防ぐことが可能となる。
【００５８】
そしてまた、浸炭加工後にシャフト第１段差部３１を機械加工することで、シャフト３０の加工工程を短縮することに繋がる。シャフト第１段差部３１では浸炭処理を必要とせず加工精度を必要とする。このような場合、浸炭処理によって素材に歪みなどが生じることで加工精度の悪化するケースがある為、浸炭処理後に再度切削加工や研削加工を必要とする。
【００５９】
しかし、シャフト第１段差部３１の表面粗さをＲｚ５０程度に粗い状態として浸炭処理をすることで浸炭深さを浅くすることができるために、結果的に浸炭処理前の加工を省略することで、浸炭処理後の加工性を向上することができる。すなわち、加工工程を短縮することに繋がる。したがって、シャフト３０の加工コストを低減することが可能となる。
【００６０】
以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
【００６１】
例えば、第１実施形態乃至第３実施形態に示されるワーク以外の形状であっても適用は可能である。また、加工表面粗さについては十点平均高さではなく他の評価方法であっても同等の表面粗さとなれば問題無い。また、Ｒｚ１．５よりも表面粗さを小さく平滑な面とすることを妨げない。
【符号の説明】
【００６２】
２１      歯部
２２      内周輪状部
３０      シャフト
３１      シャフト第１段差部
３２      シャフト第２段差部
３３      ギア部
１０１      第１加工表面
１０２      第２加工表面
Ｃ      浸炭ガス
Ｌ１１      第１炭素濃度曲線
Ｌ１２      第１冷却後濃度曲線
Ｌ２１      第２炭素濃度曲線
Ｌ２２      第２冷却後濃度曲線
Ｗ      ワーク
【図１】
2012032637.tif 000003
【図２】
2012032637.tif 000004
【図３】
2012032637.tif 000005
【図４】
2012032637.tif 000006
【図５】
2012032637.tif 000007
【図６】
2012032637.tif 000008
【図７】
2012032637.tif 000009
【図８】
2012032637.tif 000010
【国際調査報告】
2012032637.tif 000011
2012032637.tif 000012